Электромагнитные волны в земле

Оглавление

 

Введение

Глава 1. Основы метода

1.1 Электромагнитные волны в земле

1.2 Отражение и дифракция электромагнитных волн

1.3Глубинность, разрешающая способность и детальность георадарных исследований

Глава 2. Методика и аппаратура

2.1 Методика

2.2 Аппаратура

Глава 3. Обработка и интерпретация

3.1 Обработка данных

3.2 Интерпретация георадарных данных

Заключение

Список литературы

 

 

Введение

 

Метод георадиолокационного подповерхностного зондирования (метод георадар) основан на изучении распространения электромагнитных волн в среде.

Идея метода заключается в излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные электрофизические свойства. Такими границами раздела в исследуемых средах являются, например, контакт между сухими и влагонасыщенными грунтами (уровень грунтовых вод), контакты между породами различного литологического состава, между породой и материалом искусственного сооружения, между мерзлыми и талыми грунтами, между коренными и рыхлыми породами.

Все задачи, решаемые с помощью георадара, могут быть разделены на две большие группы с характерными для каждой группы методиками исследований, способами обработки, типами отображения объектов исследования в поле электромагнитных волн и представления результатов. Первая группа включает в себя геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические задачи:

картирование геологических структур - поверхности коренных пород под рыхлыми осадками, уровня грунтовых вод, границ между слоями с различной степенью водонасыщения;

определение мощности водного слоя и картирование поддонных отложений.

определение мощности слоя сезонного промерзания/оттаивания, оконтуривание областей вечной мерзлоты, таликов

Вторая группа задач включает в себя поиск локальных объектов, обследование инженерных сооружений, нарушение штатной ситуации, например:

картирование коммуникаций (трубопроводов и кабелей);

исследование участков разреза с нарушенным естественным залеганием грунта - рекультивированных земель, засыпанных выемок.

Таким образом, в настоящее время георадар широко применяется в исследованиях при относительно небольшой глубине залегания целевых объектов (0.5 - 10 метров) за исключением изучения ледников и мерзлых пород, в которых глубинность повышается благодаря высоким сопротивлениям.

 

 

Глава 1. Основы метода

Глава 2. Методика и аппаратура

Методика

 

Георадарные работы - это аналог метода t₀ в сейсморазведке. Работы ведутся на постоянном малом расстоянии между источником и приемником. Регистрируются времена прихода отраженных волн, и по этому времени, зная скорость электромагнитной волны, мы можем определить глубину залегания объекта.

 

Рис.4 - Форма зондирующего импульса

 

Длительность записи одной трассы (развертка) должна превышать двойное время пробега до самого глубокого объекта исследований. Основанием для выбора развертки служат сведения о глубинах и предполагаемые или заранее известные значения скоростей распространения электромагнитных волн в среде. При этом шаг дискретизации по времени должен быть достаточным для детального описания сигнала (10-20 точек на период центральной частоты).

Выбор усиления регистрируемого сигнала - постоянного коэффициента и автоматической регулировки усиления осуществляется непосредственно в начале полевых наблюдений. Оптимально подобранные параметры усиления должны обеспечить запись без зашкалов по амплитуде и сравнимые интенсивности сигналов в начале и в конце интервала регистрации.

Аппаратура

 

В последнее время в России широкое распространение получили георадары компании «ЛОГИС» ОКО-2.

Комплектующие ОКО-2:

Блок управления

Блок управления (БУ) обеспечивает управление всеми режимами работы георадара, производит первичную обработку полученных данных и преобразует сигналы, полученные от антенного блока, в стандартные сигналы для ноутбука (Ethernet, USB). В БУ встроен преобразователь напряжения, предназначенный для питания ноутбука, который обеспечивает выходное напряжение в диапазоне 15..22 В. Мощность преобразователя 60 Вт. К БУ предусмотрено подключение внешней управляющей клавиатуры в качестве дополнительной опции. БУ размещается на подвеске вместе с ноутбуком.

Блок управления и обработки

Микропроцессорный блок управления и обработки (БУО) предназначен для управления всеми режимами работы георадара, вывода георадиолокационных профилей на экран, записи их на Flash-диск, первичной обработки полученного материала и обмена данными с компьютером по интерфейсу Ethernet. БУО работаетс антенными блоками напрямую, ноутбук и блок управления при этом не требуются.

БУО создан специально для работы в неблагоприятных условиях (дождь, мороз) и выпускаются во всеклиматическом исполнении (работоспособность гарантируется в диапазоне температур -20...+50°С).

Вывод данных производится на цветной ЖК-индикатор повышенной контрастности размером 6,5" с разрешением 640х480 точек. Полученные данные записываются на встроенный на Flash-диск емкостью 256 Мб.

Управление БУО максимально упрощено и осуществляется с помощью влагозащищенных кнопок, расположенных на лицевой панели.

Питание БУО производится от внешнего никель металлогидридного аккумулятора. Во время полевых работ прибор размещаются в защитном кофре. Потребляемая мощность - менее 8 Вт. 2.2.3. Блоки питания

Блок питания БП 9/12 с никель-металлогидридной аккумуляторной батареей, напряжением 12 В и емкостью 9 Ач служит для питания БУ и ноутбука (или блока обработки) георадара.

Блоки питания БП 2/12 и БП 3,8/12 предназначены для питания антенных блоков.

Блок питания БП 4,5/12 напряжением 12 В и емкостью 4,5 Ач служит для питания БУО.

Батареи рассчитаны не менее чем на 500 циклов разрядки/зарядки. Степень разряженности аккумуляторных батарей георадара контролируется с помощью световой и звуковой индикации.

Конструкция блоков питания в пыле-влагозащищенном исполнении обеспечивает безопасную эффективную работу георадара в любом положении

Антенные блоки.

Неэкранированные.

Антенные блоки (АБ) георадара "ОКО-2" сменные, состоят из приемного и передающего блоков. Антенные блоки делятся на два класса - с оптической развязкой по сигнальным и информационным цепям, и без оптической развязки. В антенных блоках с оптической развязкой приемный и передающий блоки питаются от отдельных блоков питания, а для передачи сигнала ИЗП от приемного блока к передающему используется оптический кабель. В антенных блоках без оптической развязки питание подается по интерфейсному кабелю от блока управления. Все антенные блоки выпускаются в пылевлагозащищённом исполнении. Потребляемая мощность - около 7-8 Вт.

Экранированные.

В экранированных антенных блоках широкополосные антенны сверху закрыты проводящим экраном. Цель такой конструкции - подавление излучения в верхнее полупространство и подавление отражений от объектов, находящихся в верхнем полупространстве.

Рупорные.

Рупорные антенны имеют обуженную диаграмму направленности и могут работать с отрывом от поверхности до 20 см и более. Применение рупорных антенн улучшает обнаружение объектов и границ, причем как контрастных по диэлектрической проницаемости, так и малоконтрастных. Особенно актуально это в приповерхностной части разреза. Работа с отрывом от поверхности позволяет исключить маскирование объектов, находящихся в приповерхностной части разреза, поскольку "мешающий" сигнал от передатчика (так называемая прямая волна) смещается в воздушную область.

РМ-2. Радиомодем РМ-2.

Для дистанционного управления георадаром предусмотрен комплект с радиомодемом РМ-2. При работе с радиомодемом оператор с ноутбуком может находиться в защищенном от внешних климатических условий месте, а другой оператор при этом перемещает антенный блок по профилю.В комплект входит: радиомодем, блок питания БП-3,8/12, преобразователь напряжения для ноутбука и комплект кабелей. Максимальная удаленность на открытой площадке до 100 м.

Датчик перемещения ДП-32.

Служит для точной привязки результатов георадиолокации к местности.Датчик перемещения с колесом (ДП-32) используется при перемещении антенного блока по твердой поверхности.Конструкция ДП-32 позволяет эксплуатировать прибор в неблагоприятных погодных условиях. Питание осуществляется с помощью двух элементов АА по 1,5 В. Передача информации осуществляется через оптический кабель.

Измеритель пути с катушкой (ИП).

Используется при работе на пересеченной местности или при работе на небольших водоемах.Конец нити крепится к неподвижному объекту в начале профиля. При движении антенного блока производится измерение пути за счет разматывающейся нити.Подключение осуществляется с помощью оптического кабеля. Питание осуществляется от одного элемента АА 1,5В.

Датчик перемещения автомобильный (ДПА).

Используется при работах на автомобиле. Датчик подключается непосредственно к одометру транспортного средства.

Обработка данных

 

Сущность обработки георадиолокационных данных состоит, прежде всего, в выделении полезного сигнала на фоне помех и шума (воздушных, кратных и неполнократных). С помощью разнообразных приемов преобразования сигналов, волны-помехи стараются удалить с записи, ослабить или хотя бы опознать их на записи и не принимать за полезные волны.

Ниже приведены краткие характеристики основных операций графа обработки георадарных данных. Георадарные данные очень похожи на сейсмические (поскольку и в том и в другом методе волны отражаются, преломляются и дифрагируются по законам геометрической оптики), поэтому граф обработки георадарных данных целиком позаимствован у малоглубинной сейсморазведки.

Исключением является процедура вычитания средней трассы. Эта особенность георадара вызвана работой на малых временах задержки. По-этому в регистрируемом сигнале присутствует интенсивная составляющая, связанная с приходом прямой волны и явлением реверберации (многократного отражения волны от приемной и передающей антенн). Эти волны распространяются по воздуху и поэтому почти не зависят от положения установки на профиле. Таким образом, средняя трасса будет содержать, главным образом, волны-помехи. В результате вычитания средней трассы (горизонтальной составляющей) из всех трасс мы избавляемся от волн-помех и одновременно теряем информацию о горизонтальных границах.

Рис. 5 - Схема образования кратных отраженийи образования неполнократных от двух границ: 1 – однократная волна;отражений в водном слое (1 и 2) и в слое (3), 2 – двукратная волна,3 – трехкратная волна

 

Ввод статических поправок. Цель процедуры состоит в удалении задержки сигнала при записи, т.е. в приведении времени первого вступления прямой волны к нулю.

Фильтрация. Эта процедура производится в тех случаях, когда частотный спектр помехи или шума занимают на оси частот интервал, отличный или лишь частично перекрывающийся с частотным диапазоном полезного сигнала. В этом случае частотная фильтрация позволяет ослабить помеху практически без ослабления и искажения сигнала. При отсутствии помех эту процедуру применять не рекомендуется.

Определение скорости распространения волн. При наличии на радарограмме гипербол дифрагированной волны можно определить средне

квадратическую скорость распространения волны в вышележащей толще; глубину залегания объекта и место его проекции на профиль.

Для этого нужно совместить наблюденный годограф с теоретическим.

Заключение

волна импульс

Георадар - это современный геофизический прибор, предназначенный для обнаружения различных объектов, в том числе не металлических в различных средах. Мобильность, сравнительная компактность и возможность проводить неразрушающий мониторинг среды с высокой детальностью делают его уникальным среди геофизического оборудования.Георадары используются для решения инженерно-геологических, гидрогеологических и поисковых задач, таких как:

Обследование автомобильных дорог, ж/д насыпей, ВПП аэродромов;

Поиск погребенных локальных и протяженных объектов;

Обследование инженерных сооружений;

Обследование строительных конструкций, в том числе железо-бетонных и др.;

Картирование геологических структур;

Определение толщины ледяного покрова;

Обследование водоемов и картирование придонных отложений;

Определение мощности слоя сезонного промерзания/оттаивания, оконтуривание областей вечной мерзлоты, таликов и т.д.;

Археологические задачи;

Специальные задачи.

Список литературы

 

1. Е.Д. Алексанова, А.А. Бобачев, Д.К. Большаков, А.А. Горбунов, С.В. Иванова, В.А. Куликов, И.Н. Модин, П.Ю. Пушкарев, В.К. Хмелевской, Н.Л. Шустов, А.Г. Яковлев«Электроразведка: пособие по электроразведочной практике для студентов геофизических специальностей» - М.:2005.

2. http://www.logsys.ru/

3. Ю.В. Якубовский «Электроразведка», «Недра» - М.:1973.

 

Размещено на Allbest.ru

Оглавление

 

Введение

Глава 1. Основы метода

1.1 Электромагнитные волны в земле

1.2 Отражение и дифракция электромагнитных волн

1.3Глубинность, разрешающая способность и детальность георадарных исследований

Глава 2. Методика и аппаратура

2.1 Методика

2.2 Аппаратура

Глава 3. Обработка и интерпретация

3.1 Обработка данных

3.2 Интерпретация георадарных данных

Заключение

Список литературы

 

 

Введение

 

Метод георадиолокационного подповерхностного зондирования (метод георадар) основан на изучении распространения электромагнитных волн в среде.

Идея метода заключается в излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные электрофизические свойства. Такими границами раздела в исследуемых средах являются, например, контакт между сухими и влагонасыщенными грунтами (уровень грунтовых вод), контакты между породами различного литологического состава, между породой и материалом искусственного сооружения, между мерзлыми и талыми грунтами, между коренными и рыхлыми породами.

Все задачи, решаемые с помощью георадара, могут быть разделены на две большие группы с характерными для каждой группы методиками исследований, способами обработки, типами отображения объектов исследования в поле электромагнитных волн и представления результатов. Первая группа включает в себя геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические задачи:

картирование геологических структур - поверхности коренных пород под рыхлыми осадками, уровня грунтовых вод, границ между слоями с различной степенью водонасыщения;

определение мощности водного слоя и картирование поддонных отложений.

определение мощности слоя сезонного промерзания/оттаивания, оконтуривание областей вечной мерзлоты, таликов

Вторая группа задач включает в себя поиск локальных объектов, обследование инженерных сооружений, нарушение штатной ситуации, например:

картирование коммуникаций (трубопроводов и кабелей);

исследование участков разреза с нарушенным естественным залеганием грунта - рекультивированных земель, засыпанных выемок.

Таким образом, в настоящее время георадар широко применяется в исследованиях при относительно небольшой глубине залегания целевых объектов (0.5 - 10 метров) за исключением изучения ледников и мерзлых пород, в которых глубинность повышается благодаря высоким сопротивлениям.

 

 

Глава 1. Основы метода

Электромагнитные волны в земле

 

Для однородной изотропной среды распространение электрического поля удовлетворяет телеграфному уравнению:

 

 

Если пренебречь второй производной электрического поля, то это уравнение превратится в уравнение диффузии, а если пренебречь первой производной - мы получим волновое уравнение. Для того, чтобы определить, при каких условиях мы можем рассматривать только волновую часть поля, запишем телеграфное уравнение в частотной области:

 

 

где k - волновое число:

 

 

При условии, что

 

 

т.е. при низких проводимостях и высоких частотах, мы можем пренебречь индукцией и рассматривать только волновую часть электромагнитного поля.

Скорость распространения электромагнитной волны зависит оти электрической и магнитной проницаемостей среды. Значения диэлектрической и магнитной проницаемости представляются в виде ε=εоε_отни μ= μоμ_отн, где

 

 

- магнитная и диэлектрическая проницаемости в вакууме.

Для большинства горных пород значение магнитной проницаемости μ_отн близко к единице и не зависит от частоты поля. С учетом этого, скорость распространения электромагнитной волны

 

 

где с - скорость распространения электромагнитных волн в вакууме

 

 

Скорость электромагнитных волн - наиболее важный для радарных исследований параметр среды, поскольку отраженные волны, которые мы регистрируем, возникают на границах сред с разными скоростями. С другой стороны, разрешающая способность волновых методов определяется длиной волны (λ), которая равна

 

 

где f - частота.

Диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и скорость распространения электромагнитных волн незначительно зависят от частоты итипа грунтов, а определяется, главным образом, их влагонасыщенностью. В таблице 1 представлены значения диэлектрической проницаемости, скорости и длины волны (на частоте 100МГц) для некоторых сред.

В сейсморазведке скорости определяют по годографам отраженных волн. В радиолокации таким способом определить скорости очень трудно. Электромагнитные волны быстро затухают, и регистрировать сигналы на большом расстоянии между источником и приемником практически невозможно. Реальные скорости можно определить либо используя априорную информацию о строении разреза, либо по дифрагированным волнам, возникающим на неоднородностях разреза.

 

 

Таблица 1